DE3032332A1 - OUTPUT STAGE OF A MONOLITHICALLY INTEGRATED CHARGE SHIFT ARRANGEMENT - Google Patents
OUTPUT STAGE OF A MONOLITHICALLY INTEGRATED CHARGE SHIFT ARRANGEMENTInfo
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Abstract
Description
SIEIiElTS AKTIENGESELLSCHAFT Unser ZeichenSIEIiElTS AKTIENGESELLSCHAFT Our mark
Berlin und München YPA 80 P 7 1 2 7 DEBerlin and Munich YPA 80 P 7 1 2 7 DE
Ausgangsstufe einer monolithisch integrierten Ladungsver-Schiebeanordnung. Output stage of a monolithically integrated charge shifting arrangement.
Die Erfindung bezieht sich auf eine Ausgangsstufe einer monolithisch integrierten Ladungsverschiebeanordnung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to an output stage of a monolithically integrated charge shifting arrangement according to the preamble of claim 1.
Eine solche Ausgangsstufe ist aus dem Aufsatz "Few Charge-Differencing Technique for CCD Transversal !Filters" in den "Electronic letters" vom 12. April 1979, Vol. 15, Ht. 8, Seiten 229 bis 230, insbesondere S1Ig. 1, bekannt. Hierbei ist der Verstärker als ein Differenzverstärker ausgebildet, dessen Ausgang kapazitiv an seinen negativen Eingang rückgekoppelt ist. Letzterer ist mit dem einen Teil einer zweigeteilten Transferelektrode des Transversalfilter verbunden. Zwischen diesem Teil der Transferelektrode und dem Halbleiterkörper liegt eine Kapazität, deren Größe von der Raumladungszone unterhalb des Elektrodenteils abhängt. Da aber die Ausdehnung der Raumladungszone von den im Transversalfilter transportierten, von unterschiedlichen Momentanwerten eines Eingangssignals abhängigen Ladungsmengen jeweils beeinflußt wird, ist die Umsetzung der Ladungsmengen in Ausgangssignale des Differenzverstärkers nicht linear. Diese ITichtlinearität ist vorhanden, obwohl der mit dem negativen Verstärkereingang verbundene Elektrodenteil wegen des auf einem Referenzpotential liegenden positiven Verstärkereingangs praktisch auf einem konstanten Potential gehalten wird.Such an output stage is from the article "Few Charge-Differencing Technique for CCD Transversal! Filters" in the "Electronic letters" of April 12, 1979, Vol. 15, Ht. 8, pages 229 to 230, in particular S 1 Ig. 1, known. The amplifier is designed as a differential amplifier, the output of which is capacitively fed back to its negative input. The latter is connected to one part of a two-part transfer electrode of the transversal filter. Between this part of the transfer electrode and the semiconductor body there is a capacitance, the size of which depends on the space charge zone below the electrode part. However, since the expansion of the space charge zone is influenced by the charge quantities transported in the transversal filter and dependent on different instantaneous values of an input signal, the conversion of the charge quantities into output signals of the differential amplifier is not linear. This non-linearity exists even though the electrode part connected to the negative amplifier input is kept practically at a constant potential because of the positive amplifier input which is at a reference potential.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Ausgangsstufe der eingangs genannten Art eine möglichst lineare Umwandlung der zugeführten, signalabhängigen Ladungsmengen in SpannungssignaIe zu erzielen. Diese Auf-The invention is based on the object of providing an output stage of the type mentioned at the outset which is as linear as possible To achieve conversion of the supplied, signal-dependent amounts of charge into voltage signals. This up-
St 1 DxI / 25.08.1980St 1 DxI / 08/25/1980
-{- YPA 80 P 7 1 2 7 QE - {- YPA 80 P 7 1 2 7 QE
gate wird erfindungsgemäß durch die im Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst.gate is characterized according to the invention by those in claim 1 Features solved.
Der mit der Erfindung erzielbare Vorteil liegt insbesondere darin, daß die Wirkung der signalabhängigen Raumladungskapazität weitgehend ausgeschaltet wird. Wegen der Verbindung des die zugeführten Ladungsmengen aufnehmenden Halbleitergebiets mit dem Eingang des kapazitiv rückgekoppelten Verstärkers werden Ladungsänderungen der Raumladungskapazität weitgehend verhindert.The advantage that can be achieved with the invention is in particular that the effect of the signal-dependent space charge capacity is largely turned off. Because of the connection of the absorbed charge quantities Semiconductor region with the input of the capacitive feedback amplifier are changes in charge the space charge capacity largely prevented.
Die Ansprüche 2 bis 4 sind auf bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung gerichtet.Claims 2 to 4 are directed to preferred configurations and developments of the invention.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt:The invention is explained in more detail below with reference to the drawing. It shows:
Pig. 1 ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, !"ig. 2 Spannungs-Zeit-Diagramme zur Erläuterung von Fig. 1 undPig. 1 an embodiment of the invention, ! "Fig. 2 voltage-time diagrams to explain Fig. 1 and
Fig. 3 eine alternative Schaltung zu einer Teilschaltung von Pig. 1.3 shows an alternative circuit to a partial circuit by Pig. 1.
In Figur 1 ist ein Halbleiterkörper 1, z.B. aus p-dotiertem Silizium, dargestellt, auf dem eine Ladungsverschiebeanordnung (CTD) aufgebaut ist. Diese weist eine Reihe von Elementen auf, von denen jedes eine vorgegebene Anzahl von Transfer elektroden enthält, die von der Grenzf lache 1a des Halbleiterkörpers 1 durch eine dünne elektrisch isolierende Schicht 2, z.B. aus SiOp, getrennt sind-und jeweils mit einer aus einer vorgegebenen Anzahl von gegeneinander phasenverschobenen Taktspannungen beschaltet sind. In Figur 1 wird davon ausgegangen, daß jedes Element der Ladungsverschiebeanordnung vier Transferelektroden besitzt, die mit vier gegeneinander phasenverschobenen Taktspannungen beschaltet sind. Dabei sind lediglich die zu dem letzten Element E gehörigen Transferelektroden E ,,FIG. 1 shows a semiconductor body 1, for example made of p-doped silicon, on which a charge transfer device (CTD) is built. This has a number of elements, each of which contains a predetermined number of transfer electrodes that are separated from the boundary surface 1a of the semiconductor body 1 by a thin electrically insulating layer 2, for example made of SiOp , and each with one of a predetermined number Number of mutually phase-shifted clock voltages are connected. In FIG. 1 it is assumed that each element of the charge transfer arrangement has four transfer electrodes which are connected to four clock voltages which are phase-shifted from one another. Only the transfer electrodes E ,, belonging to the last element E,
-X--X- YPA80P 712 7 αεYPA80P 712 7 αε
bis E . dargestellt, denen die Taktspannungen 01 bis 04 zugeführt werden. Eine Ausgangselektrode E ist mit einer konstanten Spannung U beschaltet, die eine Potentialschwelle unterhalb von E^, erzeugt.to E. shown, to which the clock voltages 01 to 04 are fed. An output electrode E is connected to a constant voltage U, which generates a potential threshold below E ^.
GlEq
Ein n+-dotiertes Halbleitergebiet 4> dessen Sperrsehichtkapazität gegenüber dem Halbleiterkörper 1 mit C. bezeichnet ist, ist über eine Leitung 5 mit dem negativen Eingang 6 eines Differenzverstärkers 7 verbunden, dessen positiver Eingang 8 mit einer Referenzspannung üRef "beschältet ist. Der Ausgang 10 des Differenzverstärkers 7, der den Schaltungsausgang darstellt, ist über eine Kapazität C mit dem Eingang 6 verbunden. Weiterhin ist die Serienschaltung zweier Feldeffekttransistoren CDI und T2 zwischen die Schaltungspunkte 6 und 10 geschaltet, sodaß sie zu C parallel liegt. Die Gateelektrode von T1 ist über einen Anschluß 11 mit einer Taktspannung 0R belegt. Die Source-Drain-Strecke von T2 ist durch eine Verbindung 12 kurzgeschlossen, wobei die Gateelektrode von T2 mit dem Ausgang eines Inverters 13 verbunden ist, dessen Eingang an den Anschluß 11 geführt ist.An n + -doped semiconductor region 4> the barrier layer capacitance of which is labeled C. with respect to the semiconductor body 1 is connected via a line 5 to the negative input 6 of a differential amplifier 7, the positive input 8 of which is connected to a reference voltage U Ref ". The output 10 of the differential amplifier 7, which represents the circuit output, is connected to the input 6 via a capacitance C. Furthermore, the series circuit of two field effect transistors CDI and T2 is connected between the circuit points 6 and 10 so that it is parallel to C. The gate electrode of T1 is assigned a clock voltage 0 R via a terminal 11. The source-drain path of T2 is short-circuited by a connection 12, the gate electrode of T2 being connected to the output of an inverter 13, the input of which is connected to the terminal 11.
In an sich bekannter Weise wird eine Folge von negativen ladungsmengen, die aufeinanderfolgenden Abtastwerten eines analogen Eingangssignals entsprechen, unter dem Ein-, fluß der Taktspannungen 01 bis 04 (Fig.2) in Richtung des Pfeiles 3 verschoben. Jede dieser Ladungsmengen, die sich beim Auftreten eines Impulses von 04 gerade"-unterhalb von E λ befindet, wird beim Auftreten der rückwärtigen Flanke dieses Impulses über die Potentialschwelle unterhalb von E0 in das n+-dotierte Gebiet 4 transpor-In a manner known per se, a sequence of negative amounts of charge, which correspond to successive sample values of an analog input signal, is shifted in the direction of arrow 3 under the influence of clock voltages 01 to 04 (FIG. 2). Each of these amounts of charge, which is just " below E λ when a pulse of 04 occurs, is transported over the potential threshold below E 0 into the n + -doped region 4 when the trailing edge of this pulse occurs.
ClCl
tiert. Weist der Differenzverstärker 7 eine hinreichend große Spannungsverstärkung (z.B. v=1000) auf, so entspricht das Potential des Eingangs 6 etwa dem Potential des Eingangs 8, so daß das Gebiet 4 mit einer Spannung beschaltet ist, die etwa der Referenzspannung IL, f entspricht. Jede in 4 eindringende Ladungsmenge bewirktanimals. If the differential amplifier 7 has a sufficiently large voltage gain (eg v = 1000), the potential of the input 6 corresponds approximately to the potential of the input 8, so that the area 4 is connected to a voltage which corresponds approximately to the reference voltage IL, f. Any amount of charge penetrating into 4 causes
80 ρ 7 I 2 7 DE80 ρ 7 I 2 7 DE
eine entsprechende Aufladung der Kapazität C, wobei am Schaltungsausgang 10 ein der ladungsmenge proportionales Ausgangsspannungssignal u. auftritt. Dabei wird jedoch die am Gebiet 4 liegende Spannung durch diese Ladungsmenge im eingeschwungenen Zustand nicht beeinflußt, so daß auch die Sperrschichtkapazität G. insoweit konstant bleibt. Anschließend wird T1 von einem Impuls der Spannung 0-d (Fig.2) in den leitenden Zustand geschaltet, so daß sich die Kapazität C wieder entlädt und die Schaltung zur Auswertung der nächstfolgenden, in das Halbleitergebiet 4 transportierten Ladungsmenge vorbereittet ist. Um die vom Anschluß 11 über die Gate-Drain-Kapazität und Gate-Source-Kapazität von 11 in den Rüekkopplungskreis eingekoppelten Impulsanteile von 0π zu kompensieren, wird die invertierte Taktspannung 0·^ der G-ateelektrode von 12 zugeführt. Dabei werden Impulsanteile der invertierten Taktspannung über die Gate-Drain-Kapazität und Gate-Source-Kapazität von 12 in den Rückkopplungskreis eingekoppelt, welche die über 11 eingekoppelten Impulsanteile weitgehend kompensieren.a corresponding charging of the capacitance C, with a circuit output 10 proportional to the amount of charge Output voltage signal occurs. In doing so, however the voltage at area 4 is not influenced by this amount of charge in the steady state, see above that the junction capacitance G. is constant to this extent remain. Subsequently, T1 is switched to the conductive state by a pulse of voltage 0-d (FIG. 2), see above that the capacitance C discharges again and the circuit prepared for the evaluation of the next following amount of charge transported into the semiconductor region 4 is. To the from terminal 11 over the gate-drain capacitance and gate-source capacitance of 11 in the feedback circuit To compensate coupled pulse components of 0π, the inverted clock voltage becomes 0 · ^ the Gate electrode fed from 12. Here are momentum components the inverted clock voltage via the gate-drain capacitance and gate-source capacitance of 12 into the feedback circuit coupled in, which largely compensate for the pulse components coupled in via 11.
Das Konstanthalten der am Halbleitergebiet 4 liegenden Spannung führt dazu, daß die Umwandlung der signalabhängigen Ladungsmengen in die Ausgangsspannungssignale U^ sehr genau und mit einem sehr hohen Linearitätsgrad erfolgt. Keeping the voltage across the semiconductor region 4 constant results in the conversion of the signal-dependent Amounts of charge in the output voltage signals U ^ takes place very precisely and with a very high degree of linearity.
Pig. 3 zeigt eine Variante zu der zwischen den Schaltungspunkten 14 und 10 liegenden Teilschaltung von Fig. 1. Hier bei wird der Differenzverstärker 7 durch einen Inverter ersetzt. Der Schaltungspunkt 14 gelangt in den Entladephasen der Kapazität C, d.h. während des Auftretens der Impulse 0R, jeweils auf ein vorgegebenes Potential, das somit auch dem Halbleitergebiet 4 zugeführt wird.Pig. 3 shows a variant of the subcircuit of FIG. 1 located between the circuit points 14 and 10. Here, the differential amplifier 7 is replaced by an inverter. In the discharge phases of the capacitance C, that is, during the occurrence of the pulses 0 R , the circuit point 14 reaches a predetermined potential, which is thus also fed to the semiconductor region 4.
Neben dar bisher beschriebenen LadungsverschiebeanordnungIn addition to the previously described charge shifting arrangement
VPA 80 P 7 t 2 7 DEVPA 80 P 7 t 2 7 DE
mit 4 Verschiebeelektroden kann die Ausgangsstufe nach der Erfindung auch bei solchen Anordnungen verwendet werden, die nach dem Zwei-, Drei- oder Mehrphasensystem arbeiten. Ebenso kann die CTD-Anordnung auch auf einem η-dotierten Halbleiterkörper aufgebaut sein, wobei dann das Halbleitergebiet 4 ρ -dotiert ist und die zugeführteE Spannungen jeweils von entgegengesetzter Polarität sind.with 4 shifting electrodes the output stage can be adjusted according to of the invention can also be used in such arrangements that according to the two-, three- or multi-phase system work. Likewise, the CTD arrangement can also be on a η-doped semiconductor body, the semiconductor region 4 then being ρ -doped and the supplied E. Voltages are each of opposite polarity.
4 Patentansprüche
3 Figuren4 claims
3 figures
Claims (4)
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